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Introduzione

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INTRODUZIONE

La continua crescita della popolazione mondiale e la naturale aspirazione dei paesi in via di sviluppo a raggiungere livelli di vita vicini a quelli dei paesi industrializzati sono le principali cause della crescita inarrestabile della domanda di energia e del contemporaneo aumento delle emissioni di gas serra, prima fra tutte l’anidride carbonica. Soddisfare tale domanda, mantenendo questi gas a livelli non pericolosi per l’ambiente (oltre che, naturalmente, garantire l’approvvigionamento energetico) rappresenta la sfida tecnologica del nuovo secolo.

Alcune delle possibili soluzioni a queste problematiche possono essere riassunte come segue:

• Aumento dell’efficienza dei sistemi di conversione dell’energia e contemporanea riduzione del consumo di idrocarburi.

• Espansione dell’impiego di fonti a basso o nullo contenuto di carbonio quali gas naturale, rinnovabili e nucleare.

• Separazione dell’anidride carbonica prodotta nei processi di trasformazione dei combustibili fossili e il confinamento della stessa.

• Aumento, infine, del potenziale di assorbimento della stessa CO

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da parte dell’ecosistema Un tale scenario dovrebbe idealmente essere basato su un vettore energetico con le seguenti caratteristiche:

• impatto ambientale, sia globale che locale, quasi nullo

• producibile da più fonti energetiche primarie, tra loro intercambiabili e disponibili su larga scala, anche in futuro

• distribuibile preferenzialmente attraverso una rete

L’idrogeno è un vettore in grado di soddisfare i requisiti precedentemente indicati, infatti:

o è un gas che brucia nell’aria producendo acqua e calore

o può essere prodotto sia da fonti fossili, sia da fonti rinnovabili, sia da fonte nucleare o può essere distribuito in rete abbastanza agevolmente compatibilmente con gli usi

finali e con lo sviluppo delle tecnologie di trasporto e di stoccaggio

o può essere impiegato in diverse applicazioni (produzione di energia elettrica

centralizzata o distribuita, generazione di calore, trazione) con un impatto locale

nullo o estremamente ridotto

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Introduzione

2 Si può dire, quindi, che l’idrogeno rappresenta in prospettiva un componente ideale di un futuro sistema energetico sostenibile, costituendo un incentivo verso l’impiego diffuso delle fonti rinnovabili, ma già nel breve-medio termine può rendere i combustibili fossili compatibili con le esigenze ambientali.

Le caratteristiche dell’idrogeno fanno sì che il suo ruolo possa essere complementare a quello dell’elettricità (che è un altro vettore energetico), con la differenza che il primo può essere accumulato e in seguito trasportato. L’idrogeno può quindi aprire la strada a fonti energetiche rinnovabili distribuite in tutto il mondo, dando ai Paesi del terzo Mondo l’opportunità di esportare energia e consentendo loro una maggiore indipendenza dagli stati esportatori di combustibili fossili.

Il settore in cui attualmente l’idrogeno sta riscuotendo più successo è quello dei trasporti, dove i vantaggi in termini di tutela ambientale risultano più immediati: in questo ambito, la combustione ad idrogeno e le fuel cell, i cui rendimenti elettrici stanno crescendo grazie allo sviluppo di nuove tecnologie, stanno riscuotendo via, via maggiore interesse grazie al grande vantaggio di avere emissioni zero; in realtà, parlare di mobilità ad emissioni zero può essere non propriamente corretto, in quanto spesso ci si riferisce soltanto al fatto che i mezzi di trasporto alimentati ad idrogeno non producono inquinanti, e non si considerano le sostanze generate nel processo di reperimento del combustibile; bisogna, comunque, considerare che il controllo degli inquinanti risulta vantaggioso nel caso in cui le emissioni sono concentrate. Di fatto, il maggior vantaggio della mobilità ad idrogeno, prodotto da fonti fossili, è quello di relegare le emissioni di inquinanti alla fase di produzione industriale del combustibile e, quindi, di salvaguardare l’ecosistema urbano, pur ottenendo mezzi di trasporto con prestazioni paragonabili a quelle dei propulsori a benzina e gasolio, e con meno problemi di accumulo energetico rispetto alle vetture elettriche.

Il perfezionamento della tecnologia delle fuel cell ed i buoni risultati ottenuti nei rendimenti, sia in termini assoluti, sia di indipendenza dalla taglia e di costanza al variare del carico, stanno spingendo i programmi di ricerca dei principali Paesi industrializzati nel mondo, compreso quelli dell’Unione Europea, ad approfondire le potenzialità di tali tecnologie anche nell’ambito della produzione di energia elettrica. Anche in questo settore i problemi principali sono legati alla produzione dell’idrogeno, i cui processi attualmente conosciuti, se si escludono quelli basati su fonti fossili, non sono ancora competitivi né economicamente, né in termini di rendimenti exergetici. Ad oggi il metodo più economico e tecnicamente più valido per la produzione in grandi quantità è il reforming di idrocarburi;

in particolar modo, il metano consente la produzione in loco grazie alla fitta rete di

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Introduzione

3 distribuzione e trasporto presente in Italia e può quindi svolgere un ruolo determinante nella transizione verso l’economia dell’idrogeno.

L’assemblaggio delle migliori tecnologie disponibili sul mercato, in termini di produzione e utilizzazione dell’idrogeno, ha portato negli ultimi anni alla realizzazione dei primi impianti commerciali cogenerativi a fuel cell quali, ad esempio, il sistema RCU-4500 prodotto da H-Power, acquisito da ENEL ed oggetto del lavoro di tesi.

La tesi, svolta in collaborazione con ENEL Produzione Ricerca di Pisa, è rivolta allo sviluppo di un modello di simulazione in grado di descrivere il comportamento dinamico del sistema RCU-4500, il quale permette di generare, a pieno regime, un potenza elettrica e termica rispettivamente di 4 e 6,5 kW; tale impianto è un prototipo che include al suo interno un sistema di reforming del metano, di purificazione dell’idrogeno generato e l’utilizzazione di quest’ultimo in celle a combustibile di tipo PEM.

Per quanto riguarda l’applicazione di tali impianti nella generazione elettrica distribuita di piccola taglia, in particolar modo per utenze residenziali, occorre sottolineare che la loro convenienza economica è imprescindibile dalla contemporanea produzione di energia termica utile (cogenerazione), poiché il costo della sola generazione elettrica non è in grado di raggiungere i livelli di economicità dei grandi impianti di produzione. Tuttavia le problematiche tecniche che devono essere superate, affinché questo tipo di tecnologia raggiunga un mercato pienamente sviluppato, sono concentrate nella linea di produzione di energia elettrica che deve essere in grado di garantire veloci e stabili risposte alle variazioni di carico.

La modellazione è stata quindi focalizzata sul sistema di generazione di energia elettrica

comprendente la linea di produzione dell’idrogeno e lo stack, nel rispetto dei vincoli sulla

qualità del combustibile in ingresso all’anodo (contenuto di ossido di carbonio in ingresso

alla cella inferiore a 10 ppm). Di conseguenza, la parte del fuel processor di maggior

interesse, per la tesi, è riferita ai componenti che sono direttamente attraversati dal flusso di

gas naturale e idrogeno, rispettivamente antecedente e successivo al reformer. In tali

blocchi avvengono importanti reazioni chimiche, che determinano la qualità del

combustibile in ingresso alla cella, le maggiori cadute di pressione entro il sistema, poiché

causate da variazione della sezione dei tubi e dalla diffusione del gas nei catalizzatori, ed

inoltre influenzano il comportamento dinamico dell’intero impianto. La variazione di

pressione ha influenza principalmente sulla dinamica del flusso volumetrico in uscita da

ogni reattore e non può quindi essere trascurata.

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Introduzione

4 Il processo di trattamento del gas naturale è, inoltre, strettamente collegato al sistema di riscaldamento/raffreddamento composto da scambiatori alimentati ad acqua liquida, che producono il vapore necessario al fuel processor, mediante il calore dei gas di combustione, prodotti da un apposito bruciatore alimentato a gas metano. Il circuito di scambio di calore agisce, così, direttamente sulle variazioni di temperatura dei reattori e di conseguenza sulle cinetiche di reazione e sulle concentrazioni delle varie specie chimiche, nonché sulla portata volumetrica di gas. La necessità di studiare i fenomeni fisico/chimici precedentemente rilevati, ha imposto una trattazione dei bilanci di massa e di energia, in ogni componente. Inoltre, nei reattori chimici è stato necessario introdurre uno specifico modello di efflusso del gas diretto alla cella elettrolitica. Per descrivere il comportamento dei reattori chimici si è fatto riferimento al modello di reattore completamente miscelato (CSTR). Ciò ha permesso di sopprimere alla mancanza di informazioni riguardo alle reali caratteristiche geometriche degli elementi ed ha permesso di alleggerire enormemente il modello di simulazione dal punto di vista computazionale.

Lo stack è stato descritto utilizzando un esistente modello semplificato, proposto in letteratura, in grado di descrivere le variazioni delle perdite per polarizzazione in funzione delle diverse condizioni di carico.

Con tale modello è stato possibile analizzare anche gli effetti di integrazione tra i vari componenti, determinando così la reale dinamica di risposta del sistema a variazioni di carico.

La metodologia adottata, nella formulazione analitica del modello, è stata quella di implementare le equazioni nell’ambiente di calcolo Matlab/Simulink®.

Il modello è stato infine validato con successo sulla base di alcuni test sperimentali effettuati sul sistema H-Power RCU-4500.

Tale modello potrà così essere proficuamente utilizzato per studiare le problematiche dei

sistemi cogenerativi a fuel cell di tipo PEM in vista di una loro futura applicazione, in larga

scala, nel campo della generazione distribuita. In modo particolare esso sarà

intensivamente utilizzato per analizzare ed interpretare i risultati che saranno ottenuti in

test sperimentali che ENEL eseguirà su questo sistema nei prossimi mesi.

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